Диффузия

ДИФФУЗИЯ (от латинского diffusio - растекание, распространение, рассеивание), процесс установления наиболее вероятного пространственного распределения частиц при их хаотическом движении в газах, жидкостях и твёрдых телах. Диффузия - частный случай переноса явлений.

В термодинамически равновесной среде, состоящей из двух и более компонент, при отсутствии внешних воздействий диффузия приводит к выравниванию концентраций частиц каждой компоненты во всём объёме среды. В бинарной смеси при малой концентрации диффундирующего вещества плотность диффузионного потока J частиц связана с градиентом их концентрации ∇n соотношением: J = ‒D∇n ( 1-й  закон  Фика,  смотри Фика законы), где D - коэффициент диффузии. При этом изменение концентрации n во времени t и пространстве посредством диффузии с независимым от координат значением D описывается  уравнением диффузии:

∂n/∂t = D∆n (1)

(2-й закон Фика). Если диффундирующие частицы могут рождаться или гибнуть, то в правую часть уравнения (1) добавляются соответствующие источники или стоки, например скорость изменения концентрации в химических реакциях (∂n/∂t)_хим. Сочетанием диффузии с химическими реакциями характеризуются многие процессы горения и распространения фронта пламени. Диффузия нейтронов наряду с их рождением и поглощением - один из основных процессов, протекающих в активной зоне ядерного реактора и в окружающей радиационной защите.

Микроскопической основой диффузии является диффузионное движение (случайное блуждание) каждой отдельной частицы. Такое движение не прекращается и при J = 0. Любое начальное движение частицы в равновесной среде превращается со временем в тепловое движение. Диффундирующая частица, двигаясь и многократно меняя направление движения в результате столкновений (рассеяния на молекулах среды), уходит за время t от своего начального положения на расстояние, средний квадрат которого по большому числу траекторий равен 6Dt. При этом в любом заданном направлении, например по оси х, средний квадрат пройденного расстояния  равен  2Dt. В  газе D ≈ lv/3, где l - длина свободного пробега частицы, v - её средняя тепловая скорость. Коэффициент D, как и длина свободного пробега l, обратно пропорционален плотности газа. В  газе  нормальной  плотности l порядка 10^-4-10^-5 см. Тепловые скорости атомов и молекул (кроме водорода и гелия) составляют в нормальных условиях (при температуре около 0 °С) десятые доли км/с. Соответственно для таких газов в нормальных условиях D порядка 0,1-1 см²/с. В жидкости диффузионное движение частицы слагается из эпизодических перемещений на расстояния порядка размера молекулы и малых колебаний около временных положений равновесия. Вследствие затраты времени на такие колебания коэффициенты диффузии в жидкости много меньше, чем в газе.

В твёрдом теле диффузия дополнительно затруднена фиксированным положением атомов среды, образующих кристаллическую решётку. Механизмами диффузии в твёрдом теле могут быть: обмен местами между частицей примеси и оказавшейся рядом вакансией (дыркой) или с соседним атомом среды, движение частицы по междоузлиям и более сложные коллективные перемещения. Такие процессы связаны с преодолением значительных потенциальных барьеров. Поэтому коэффициент диффузии в твёрдом теле сильно (экспоненциально)  зависит  от  температуры. (Эта закономерность, выраженная количественно слабее, характерна и для жидкостей.) Пример медленной диффузии в твёрдом теле: в металлических баллонах даже при высоком давлении газы хранятся годами без существенной утечки. При низких температурах в конденсированных средах определяющим механизмом диффузии может быть квантовая диффузия (туннелирование) атомов.

Характерным свойством диффузии является отсутствие резкой границы (фронта), разделяющей диффузионное облако от среды, в которой оно распространяется. Граница, заданная искусственно в начальный момент времени, например при мгновенном удалении оболочки с капли красителя, помещённой в воду, быстро размывается. Квадрат радиуса сферы, в которой находится основная масса красителя, увеличивается пропорционально времени. Соответственно скорость роста радиуса убывает как t^-1/2. Подобная закономерность свойственна  и процессу теплопередачи.

Диффузию  частицы в «собственной» среде, например молекулы воды в воде или атома алюминия в металлическом алюминии, называют самодиффузией. Коэффициент самодиффузии измеряют методом изотопных индикаторов, вводя локально радиоактивный изотоп атома (молекулы) исследуемой среды и наблюдая за его перераспределением во времени. Причиной диффузионного потока могут быть градиент температуры (термодиффузия), электрическое поле (электродиффузия), градиент давления в микропористой перегородке или гравитационное поле (бародиффузия). В этих случаях концентрационное равновесие (отсутствие диффузионного потока) достигается при ∇n ≠ 0, т. е. при пространственно неоднородном распределении концентраций. В плазме диффузии заряженных частиц на расстояния, больше дебаевского радиуса экранирования, происходит без нарушения квазинейтральности плазмы (амбиполярная диффузия).

Кроме диффузии частиц в пространстве, в обобщённом смысле рассматривается диффузия квазичастиц, энергии,  импульса  и т.п. в  фазовом  пространстве.

Диффузия  играет важную (часто определяющую) роль во многих естественных явлениях и  в технологических процессах.

Лит.: Гроот С. де, Мазур П. Неравновесная термодинамика. М., 1964; Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов. М., 1967; Грэй П. Физика простых жидкостей. М., 1971. Ч. 1: Статистическая теория.